基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)探究

［摘 要］基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)探究，對于新時代的教育改革具有重要意義。通過結(jié)合深度學(xué)習(xí)的先進(jìn)理念和STEM教育的實踐方法，STEM項目學(xué)習(xí)旨在培養(yǎng)學(xué)生的高階思維、創(chuàng)新能力和問題解決能力。文章結(jié)合高中生物學(xué)教學(xué)實踐設(shè)計出了富有挑戰(zhàn)性的項目學(xué)習(xí)活動，旨在引導(dǎo)學(xué)生主動參與、積極探究，通過實踐、合作與反思，促進(jìn)學(xué)生對生物學(xué)知識的深度理解和應(yīng)用。STEM項目學(xué)習(xí)這種新型學(xué)習(xí)模式有助于激發(fā)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，為培養(yǎng)21世紀(jì)所需的生物學(xué)人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］深度學(xué)習(xí)；高中生物學(xué)；STEM項目學(xué)習(xí)

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0082-03

深度學(xué)習(xí)作為一種高階學(xué)習(xí)，正逐漸改變學(xué)生對知識獲取與應(yīng)用的認(rèn)知。而STEM教育，以其跨學(xué)科、實踐性的特質(zhì)，為教育創(chuàng)新提供了新的視角。在這樣的背景下，探究如何將深度學(xué)習(xí)與高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)相融合，不僅是教育領(lǐng)域的一項挑戰(zhàn)，更是培養(yǎng)新時代創(chuàng)新人才的迫切需求。通過深度融合這兩大教育理念，我們有望為學(xué)生打造一個更加豐富、具有挑戰(zhàn)性和深度的學(xué)習(xí)體驗場，助力學(xué)生在不斷的探索與實踐中成長為具有批判性思維、創(chuàng)新精神和跨學(xué)科解決問題能力的綜合型人才。

一、深度學(xué)習(xí)與STEM項目學(xué)習(xí)的概述

深度學(xué)習(xí)是一種基于高階思維的學(xué)習(xí)方式，它要求學(xué)習(xí)者在理解核心概念的基礎(chǔ)上，通過反思和批判性思考來提升綜合思維能力，并重新構(gòu)建知識和技能框架。在生物學(xué)中，深度學(xué)習(xí)涉及對新情境下生物學(xué)問題的多層次分析，是發(fā)展高階思維的學(xué)習(xí)過程。基于項目學(xué)習(xí)的STEM教育則為學(xué)生提供真實情境的學(xué)習(xí)體驗，這有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和解決問題，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學(xué)（M）領(lǐng)域概念的理解。在STEM項目學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以通過實驗探究和創(chuàng)新實踐來解決真實問題，從而鍛煉批判性思維。STEM項目學(xué)習(xí)設(shè)計注重新情境下的知識構(gòu)建和跨學(xué)科融合，以真實問題為基點，通過新情境下的問題驅(qū)動來引導(dǎo)學(xué)生解決問題。這種學(xué)習(xí)方式以實驗探究為主線，強調(diào)創(chuàng)新與實踐，并以思維發(fā)展為目標(biāo)，在項目活動過程中促進(jìn)學(xué)生形成可視化思維。這有助于學(xué)生提升學(xué)科核心素養(yǎng)，并促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

二、高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)的設(shè)計原則

基于深度學(xué)習(xí)的STEM項目學(xué)習(xí)在生物學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，它可以幫助學(xué)生發(fā)展高階思維，提高解決問題的能力，并促進(jìn)學(xué)生對生物學(xué)核心概念和跨學(xué)科知識的理解和應(yīng)用[1]。高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)應(yīng)遵循以下設(shè)計原則。

（一）以學(xué)生為中心

在基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅是知識的接受者，更是學(xué)習(xí)的主體和創(chuàng)造者，因此以學(xué)生為中心是高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)設(shè)計的首要原則。這意味著項目的主題和內(nèi)容應(yīng)與學(xué)生的興趣和實際需求緊密結(jié)合，以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)在動力。同時，尊重學(xué)生的個體差異，為學(xué)生提供多元化的學(xué)習(xí)路徑和資源，以滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。在高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)過程中，給予學(xué)生更多的決策權(quán)，讓他們自主選擇研究方向、制訂實驗計劃等，從而培養(yǎng)其自主性和責(zé)任感。這樣的設(shè)計原則旨在確保學(xué)生在項目學(xué)習(xí)中處于中心地位，能夠積極參與并主導(dǎo)自己的學(xué)習(xí)過程，進(jìn)而實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)和全面發(fā)展[2]。

（二）強調(diào)問題驅(qū)動與真實情境相融合

深度學(xué)習(xí)強調(diào)對知識的深度理解和應(yīng)用，而問題驅(qū)動和真實情境作為實現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段，在項目學(xué)習(xí)設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。選擇與現(xiàn)實世界緊密相關(guān)的生物學(xué)問題作為項目主題，如環(huán)境保護(hù)、基因編輯等，可以使學(xué)生將所學(xué)知識與實際問題相結(jié)合，培養(yǎng)其解決實際問題的能力。同時，通過模擬真實情境或?qū)嵉乜疾?，讓學(xué)生在具體環(huán)境中感受問題的復(fù)雜性和多樣性，這有助于提升學(xué)生對問題的理解能力和應(yīng)對能力。此外，設(shè)計一系列相互關(guān)聯(lián)的問題鏈，可以引導(dǎo)學(xué)生由淺入深、由表及里地探究問題本質(zhì)，促進(jìn)其對生物學(xué)知識的深度理解。高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)應(yīng)遵循問題驅(qū)動與真實情境相融合的設(shè)計原則，旨在為學(xué)生提供一個富有挑戰(zhàn)性和探索性的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)其探究欲望和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其成為具有批判性思維和解決問題能力的人才。

（三）注重跨學(xué)科整合與遷移應(yīng)用

STEM教育的核心在于跨學(xué)科整合，而深度學(xué)習(xí)則強調(diào)知識的遷移和應(yīng)用，因此在項目學(xué)習(xí)設(shè)計中應(yīng)注重跨學(xué)科元素的融入。這意味著鼓勵學(xué)生從生物學(xué)、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等多學(xué)科視角審視問題，培養(yǎng)其跨學(xué)科思維和解決問題的能力。通過引入先進(jìn)的技術(shù)工具和平臺，如基因編輯技術(shù)、生物信息學(xué)軟件等，可以讓學(xué)生在實踐中體驗科技的力量和魅力，進(jìn)一步拓寬其視野和提升其能力。同時，鼓勵學(xué)生將所學(xué)的生物學(xué)知識和方法應(yīng)用于其他領(lǐng)域或?qū)嶋H問題，如將生態(tài)學(xué)原理應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、將遺傳學(xué)知識應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷等，可以促進(jìn)學(xué)生對知識的遷移和應(yīng)用，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力。高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)注重跨學(xué)科重合與遷移應(yīng)用，旨在打破學(xué)科壁壘，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展[3]。

三、高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)的實施步驟

（一）確定項目主題

在高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)中，提出問題是引導(dǎo)學(xué)生思考和探究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過提出問題，可以激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，引導(dǎo)他們深入思考和探索，從而確定具有探究性和實際意義的項目主題。以人教版生物學(xué)選擇性必修3《生物技術(shù)與工程》中的“制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品”為例，教師首先展示各種傳統(tǒng)發(fā)酵食品的圖片或?qū)嵨?，并簡要介紹其歷史和制作過程，為后續(xù)的提問做鋪墊。其次，在引入情境的基礎(chǔ)上，提出一系列與發(fā)酵食品相關(guān)的問題，如這些食品是如何制作的？需要哪些原料和工具？ 在制作過程中，微生物起到了怎樣的作用？它們是如何影響食品的口感和營養(yǎng)的？ 不同的發(fā)酵條件會對最終產(chǎn)品產(chǎn)生怎樣的影響？如何控制發(fā)酵條件？ 傳統(tǒng)發(fā)酵食品與現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的食品有何異同？它們各自有哪些優(yōu)缺點？最后，讓學(xué)生對這些問題進(jìn)行分析和討論，明確每個問題的研究價值，并選擇自己感興趣且有能力解決的問題進(jìn)行研究。在分析問題的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要篩選出具有探究性和實際意義的問題作為項目主題。如根據(jù)本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以選擇“如何制作傳統(tǒng)的發(fā)酵食品”作為項目主題。這樣的教學(xué)，使學(xué)生成功地通過提出問題確定項目主題，并開展一次有意義的STEM項目學(xué)習(xí)[4]。

（二）制訂項目計劃

在確定項目主題為“如何制作傳統(tǒng)的發(fā)酵食品”后，為保證項目學(xué)習(xí)能夠順利進(jìn)行并取得理想效果，教師可讓學(xué)生制訂詳盡的項目計劃。此項目學(xué)習(xí)的核心目的在于讓學(xué)生深入理解傳統(tǒng)發(fā)酵食品的制作原理與流程，熟悉基本的發(fā)酵工藝及操作技巧，研究各種發(fā)酵條件對食品質(zhì)量的潛在影響。為達(dá)成上述目標(biāo)，可設(shè)計如下一系列具體任務(wù)：收集和研讀與傳統(tǒng)發(fā)酵食品制作有關(guān)的文獻(xiàn)和資料，選定某種傳統(tǒng)發(fā)酵食品作為研究焦點并深入了解其歷史、文化及制作工藝，親手制作該食品并記錄詳細(xì)的制作流程和感悟，分析制作過程中的關(guān)鍵要素及其對食品質(zhì)量的影響，撰寫綜合性的項目報告以及通過展示等形式分享制作經(jīng)驗和成果。在項目的時間規(guī)劃上，總共設(shè)定為六周，每一周都有確切的工作重點與預(yù)期目標(biāo)。在資源籌備方面，讓學(xué)生根據(jù)選定的傳統(tǒng)發(fā)酵食品的特性準(zhǔn)備相應(yīng)的原材料，配備必要的工具和設(shè)備，選擇符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的廚房或?qū)嶒炇易鳛橹谱鲌鏊瑫r尋求專業(yè)教師或行業(yè)專家的幫助。通過一系列的學(xué)習(xí)與實踐活動，學(xué)生首先能夠更深入地理解傳統(tǒng)發(fā)酵食品的制作原理與流程，掌握基礎(chǔ)的發(fā)酵工藝和操作技巧，并對傳統(tǒng)食品文化產(chǎn)生熱愛，從而為實現(xiàn)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的傳承和發(fā)揚貢獻(xiàn)力量[5]。

（三）項目執(zhí)行

以傳統(tǒng)發(fā)酵食品——泡菜的制作為例。泡菜制作項目執(zhí)行階段是學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。在這個階段，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，積極探索并應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識。該項目的核心目標(biāo)是通過讓學(xué)生親身實踐，培養(yǎng)學(xué)生的求證能力和科學(xué)思維[6]。

在項目開始時，首先讓學(xué)生了解泡菜的制作原理。他們了解到，泡菜的制作依賴于乳酸菌在無氧環(huán)境下的發(fā)酵作用，在發(fā)酵過程中，乳酸菌將蔬菜中的糖分轉(zhuǎn)化為乳酸，從而賦予泡菜獨特的酸味和口感。為了進(jìn)一步掌握這一科學(xué)原理，學(xué)生還應(yīng)學(xué)習(xí)乳酸菌的生長條件，如溫度、pH值和鹽濃度等，并探討這些條件如何影響發(fā)酵過程和泡菜的最終品質(zhì)。接著，讓學(xué)生開始學(xué)習(xí)使用專業(yè)的發(fā)酵裝置，如密封罐和溫度計等，以確保發(fā)酵環(huán)境的穩(wěn)定性和一致性。同時，讓學(xué)生掌握測量和記錄數(shù)據(jù)的方法，如使用pH試紙檢測泡菜的酸堿度，以及使用鹽度計測量鹽濃度等。這些技術(shù)手段的運用不僅提高了學(xué)生制作泡菜的技能，還培養(yǎng)了他們的實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析能力。在教師的協(xié)助下，學(xué)生開始制訂泡菜制作的詳細(xì)步驟和時間表。學(xué)生可根據(jù)所學(xué)的知識，精心選擇和處理蔬菜，配制適量的鹽水，并嚴(yán)格控制發(fā)酵時間。為了探究不同發(fā)酵條件對泡菜品質(zhì)的影響，還應(yīng)讓學(xué)生設(shè)計不同的實驗方案，比較不同溫度、鹽濃度和發(fā)酵時間下的泡菜品質(zhì)差異，并嘗試解釋這些差異的原因。最后，讓學(xué)生品嘗自己制作的泡菜，對實驗結(jié)果進(jìn)行直接驗證。通過品嘗泡菜，學(xué)生感受到了不同發(fā)酵條件對泡菜口感和風(fēng)味的影響。

泡菜制作項目執(zhí)行階段不僅教授了學(xué)生制作泡菜的具體技術(shù)和方法，更重要的是通過實踐探究培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維能力和求證精神。在這個過程中，學(xué)生學(xué)會了如何提出問題、設(shè)計實驗、收集和分析數(shù)據(jù)以及驗證假設(shè)并得出結(jié)論，這對于他們未來的學(xué)習(xí)和生活都具有重要意義。

（四）分享交流成果

“制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品——泡菜”這一項目活動聚焦“泡菜發(fā)酵過程中的微生物作用及其影響因素”這一中心議題，意在引領(lǐng)學(xué)生感知問題、剖析問題、解決問題，從而獲取新知，并鼓勵他們積極運用新思維，立足實證進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和推理。學(xué)生細(xì)致地觀察并記錄泡菜發(fā)酵過程中的種種變化，通過解釋與驗證來鞏固新知，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步思索“如何改善泡菜的發(fā)酵環(huán)境以提升其品質(zhì)”，將所學(xué)的知識內(nèi)化。在此過程中，學(xué)生的個性思維得以展現(xiàn)，并與集體智慧相融合，使他們在追求共識與創(chuàng)新的過程中實現(xiàn)了知識的內(nèi)化遷移。同時，通過教師精心構(gòu)建的任務(wù)與問題解決平臺，學(xué)生得以熟練掌握和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，在不斷提煉與反思中，優(yōu)化和完善泡菜的制作流程。在這一系列過程中，學(xué)生不僅提升了技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)，還增強了自身的社會責(zé)任感。

（五）反思評價過程

在“制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品——泡菜”STEM項目學(xué)習(xí)中，學(xué)生問題意識始終被置于核心位置，旨在借助問題引領(lǐng)學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。教師以全局視角進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)設(shè)新情境，確保學(xué)生的學(xué)習(xí)可以突破制作泡菜這一實踐層面，延伸至對食品發(fā)酵科學(xué)原理的深入探索。這一延伸性的學(xué)習(xí)要求學(xué)生綜合運用先前獲得的知識進(jìn)行綜合分析，并強調(diào)他們在調(diào)查探究、合作交流、反復(fù)驗證、自我反思以及創(chuàng)新應(yīng)用等方面的能力。

在交流共享環(huán)節(jié)，讓不同的學(xué)生聚在一起，分享各自在制作泡菜過程中的經(jīng)驗、見解與疑問。這種交流不僅促進(jìn)了知識在不同個體間的流動與碰撞，更激發(fā)了學(xué)生探索跨學(xué)科領(lǐng)域的興趣。通過交流，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在看似簡單的泡菜制作中，涵蓋了生物學(xué)中的微生物發(fā)酵、化學(xué)中的酸堿平衡、物理學(xué)中的熱傳導(dǎo)等科學(xué)原理，甚至涉及數(shù)學(xué)中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析技巧[7]。

通過這次項目學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅習(xí)得了泡菜制作的實踐技能，更重要的是領(lǐng)悟了如何綜合運用不同學(xué)科的知識與技能來分析和解決問題。這種跨學(xué)科的項目學(xué)習(xí)不僅提升了學(xué)生的元認(rèn)知能力，而且為他們深度學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐奠定了堅實的基礎(chǔ)。

綜上所述，基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)不僅有助于學(xué)生對生物學(xué)知識的深入理解，更能夠提升他們的跨學(xué)科思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。因此，教師應(yīng)該充分認(rèn)識到STEM教育的價值，在高中生物學(xué)教學(xué)中積極推進(jìn)STEM項目學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在實踐中探索，在探索中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中成長。同時，也需要不斷完善STEM項目學(xué)習(xí)的設(shè)計和實施策略，確保STEM項目學(xué)習(xí)與課程目標(biāo)緊密結(jié)合，真正發(fā)揮其在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)和綜合能力方面的作用。展望未來，隨著科技的不斷進(jìn)步和教育改革的深入推進(jìn)，我們有理由相信，基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)將在促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面發(fā)揮更加重要的作用。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 侯松濤.基于深度學(xué)習(xí)的高中生物STEM項目設(shè)計：以“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2022，38（3）：12-14.

[2]［3］" 付鑫.基于高中生物學(xué)課程資源進(jìn)行STEM項目的設(shè)計思路與案例[J].生物學(xué)通報，2018，53（3）：34-38.

[4]" 康根城.基于深度學(xué)習(xí)的高中生物學(xué)“情境—問題式”教學(xué)模式探究[J].中學(xué)生物學(xué)，2023，39（7）：30-32.

[5]" 羅福海.STEM教育視角下的實驗改進(jìn)：以“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實驗改進(jìn)為例[J].中小學(xué)實驗與裝備，2021，31（5）：45-46.

[6]" 張璐，陳欣.我國中學(xué)生物學(xué)STEM教育研究現(xiàn)狀與趨勢：基于2016-2021年STEM教育文獻(xiàn)分析[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2022（10）：126-128.

[7]" 朱云鵬.基于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的實驗教學(xué)創(chuàng)新：以“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機制的實驗”為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2019，35（5）：42-43.

（責(zé)任編輯 羅 艷）